Flexible electronicsPhotonicsSensor solutions for IoTimec Ghent

5 min

Zo maak je materialen die zelf ‘pijn’ voelen

CMST, een imec onderzoeksgroep aan de universiteit Gent, maakt dunne folies met optische sensoren die kunnen geïntegreerd worden ín composietmateriaal, om rek te meten (en op basis hiervan de mechanische spanning of stress in het materiaal). Zo worden windturbines, fietsen, formule1-wagens, drukvaten enz. een heel pak slimmer, én veiliger! Jeroen Missinne, CMST-onderzoeker en UGent professor, vertelt er meer over. 

Scroll

Composieten: veelvuldig gebruikt maar moeilijk te doorgronden

Composieten zijn uiterst sterke en lichte materialen doordat ze een combinatie zijn van polymeren en verstevigende (glas- of koolstof-)vezels. Ze worden gebruikt in allerhande toepassingen: in vliegtuigen (bv. mechanische arm van de vleugelkleppen, maar ook 40% andere onderdelen van het vliegtuig), als basismateriaal voor carbonfietsen, in formule1-wagens (85% van de wagen bestaat uit composietmateriaal!), voor de wieken van windturbines, in drukvaten die gebruikt worden voor de opslag van gas, in protheses, boten, elektrische auto’s etc. Ook de ruimtevaart begint meer en meer belangstelling te tonen voor composietmaterialen. 

Een composiet is een zogenaamd anisotroop materiaal: de eigenschappen zijn niet dezelfde in alle richtingen. Dat is te verklaren door zijn complexe samenstelling. Vanwege die anisotropie is het moeilijk te voorspellen wanneer een vliegtuig/auto/windturbine-onderdeel dat van composiet gemaakt is, zal stuk gaan. 

Daarom maakt men simulaties van deze structuren en om die op punt te stellen heeft men sensordata nodig van ‘echte’ metingen in het materiaal. Om deze reden en om in realtime de toestand van die onderdelen te meten, gebruikt men sensoren, voornamelijk optische vezelsensoren. Het nadeel van deze sensoren is dat ze de stress voornamelijk kunnen meten in de lengterichting van de vezel. Door de vezelsensoren in verschillende richtingen aan te brengen op het composietmateriaal, kan toch een totaalbeeld van de ‘gezondheidstoestand’ van het materiaal verkregen worden. Het juist positioneren van de sensoren is echter tijdrovend en moeilijk. 

Dankzij nieuw onderzoek wordt het nu mogelijk om heel dunne sensorfolies – met optische sensoren in verschillende, exact gedefinieerde richtingen – te integreren ín het composietmateriaal, tijdens het productieproces. 

Sensorfolie met licht

CMST, de onderzoeksgroep van imec aan de universiteit van Gent, is gespecialiseerd in het maken van folies met elektronische componenten, bv. voor gebruik in slimme kledij. Maar ook fotonische componenten – die data doorsturen of opmeten op basis van licht – kunnen geïntegreerd worden in folies. ‘Flexibele fotonica’ staat nog in de kinderschoenen in vergelijking met flexibele elektronica doordat de alignatie van de fotonische componenten voor het goed in- en uitkoppelen van licht vrij complex is in een folie. 

De nieuwe folie om composietenstress op te meten bevat drie optische roosters of gratings die in een hoek van 45 of 60° ten opzichte van elkaar geplaatst worden.

Licht met een bepaalde golflengte wordt door deze structuren gereflecteerd. Bij rek zal deze golflengte veranderen en dit kan gedetecteerd worden. Door de metingen van de drie roosters te combineren, kan de stress in het volledige vlak berekend worden. De folie is uiterst robuust en kan gebogen worden tot een kromtestraal van 11mm en uitgetrokken worden tot zeker 1,4% zonder zijn werking te verliezen. Waarschijnlijk kan de folie zelfs nog meer worden uitgetrokken, maar voorlopig is enkel tot 1,4% getest. 

Doordat composietmateriaal bij relatief lage temperatuur gemaakt wordt – maximum zo’n 150 à 200°C – kunnen sensoren erin verwerkt worden zonder schade. Ook in het geval van de sensorfolie met optische roosters bleek dit mogelijk. Er werden drie verschillende mechanische structuren gemaakt, als demonstratie: een scharnierarm, een controlearm en een paneel. 

Veiligere fietsen, vliegtuigen en drukvaten dankzij sensorfolie

De folie kan gebruikt worden om de ‘gezondheid’ van een composiet tijdens gebruik in fietsen, vliegtuigen etc. op te meten. Fietsen, vliegtuigen en drukvaten zullen zo zelf kunnen aangeven wanneer er iets schort en er een onderdeel moet vervangen worden. De beelden van windturbines met ‘hangende wieken’ behoren zo voorgoed tot het verleden (evenals de schade dat dit meebrengt aan de turbine). 

Door gebruik van de folie moet er geen overbodig onderhoud uitgevoerd worden en worden onderdelen enkel vervangen indien nodig. Dit zorgt voor lagere onderhoudskosten en minder materiaalverbruik. En – nog veel belangrijker – kunnen onderhoudsdiensten of gebruikers tijdig verwittigd worden wanneer er iets schort aan het composiet en kunnen zo ongelukken vermeden worden. 

Goedkopere productie van composieten dankzij sensorfolie

Een sensorfolie – met fotonische en eventueel ook capacitieve sensoren – is nuttig voor de onderzoeksafdeling van bedrijven die composieten maken.

Door het te integreren in het composiet en metingen te doen tijdens het fabricageproces, kan het proces geoptimaliseerd worden. Zo werden bv. al een ander soort sensoren (capacitieve sensoren) in folie gebruikt om te bepalen hoe lang de uithardingsfase precies moet zijn. Hoe korter deze fase, hoe goedkoper het proces. De folie is zo dun dat het geen invloed heeft op het fabricageproces. 

Ook voor andere materialen en toepassingen?

De folie kan ook standalone gebruikt worden en bv. op metalen oppervlakken worden aangebracht. Naast rek, kan de folie ook trillingen opmeten. Trillingen zijn immers ook een vorm van rek (dynamische rek). En wat dacht je van het meten van gassen in voedselverpakkingen? Ook dat behoort tot de mogelijkheden, al is het meer lange termijn dan het gebruik in composieten. Maar een carbonfiets die aan de renner vertelt wanneer het gevaarlijk wordt, of een drukvat dat alarm geeft wanneer de druk gevaarlijk groot wordt, is al mooi meegenomen op korte termijn!

photonic sensor foil

Folie met fotonische waveguides



Meer weten?

  • Via ons contactformulier kan je de paper “Thin and flexible polymer photonic sensor foils for monitoring composite structures” opvragen.

 

Biografie Jeroen Missinne

Jeroen Missinne was awarded his Master of Science degree in Electrical Engineering in 2007 and his PhD in Electrical Engineering in 2011, both at Ghent University, Belgium. He is currently employed as part-time professor at Ghent University and employed at CMST (Center for MicroSystems Technology), an imec research lab at Ghent University. He has expertise in optical sensors (strain, pressure, (bio)chemical sensing) and photonics packaging technologies (integration of sources and detectors, polymer and laser-written glass waveguides, etc.). Jeroen Missinne has authored or coauthored more than 40 publications in SCI-stated journal papers and international conferences. He is the co-inventor in 5 patents or patent applications.

 

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement.

Accepteer cookies